中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司 四川 成都 610000

0 引言

長江中上游水電加速進(jìn)入全面投產(chǎn)運(yùn)行時(shí)期,三峽梯級(jí)承擔(dān)了防洪、航運(yùn)和發(fā)電等綜合開發(fā)任務(wù),電站規(guī)模巨大,是長江干流的核心水電站。在確保下游防洪安全和航運(yùn)要求的前提下,三峽電站175m運(yùn)行的研究早已開展[1]。2011年三峽電站提前蓄水并首次完成蓄水175m的目標(biāo),使得三峽165億立方米的興利庫容能夠得到充分的利用。水電站實(shí)際調(diào)度運(yùn)行中,多采用確定性的常規(guī)調(diào)度方法,而傳統(tǒng)的常規(guī)調(diào)度方法存在一些不足[2],有進(jìn)一步優(yōu)化的空間。針對(duì)三峽調(diào)度圖,研究傳統(tǒng)常規(guī)調(diào)度模型,發(fā)現(xiàn)運(yùn)用傳統(tǒng)常規(guī)調(diào)度模型,電站的出力容易產(chǎn)生振蕩,一方面影響了電站發(fā)電的可靠性,一方面減少了全年總的發(fā)電量。

1 三峽長期發(fā)電常規(guī)調(diào)度模型

常規(guī)調(diào)度是根據(jù)水庫調(diào)度圖來實(shí)現(xiàn)的,水庫調(diào)度圖是以歷史資料為依據(jù),計(jì)算和編制的一組綜合考慮各種可能來水和樞紐的綜合利用任務(wù),以時(shí)間為橫坐標(biāo),以水庫蓄水量火水位為縱坐標(biāo),由調(diào)度線組成的曲線圖。調(diào)度圖的繪制必須考慮水庫運(yùn)用調(diào)度的政策法令文件、水庫電站主要參數(shù)、歷史徑流資料及綜合利用部門用水情況等[3]。

基本調(diào)度圖包含上基本調(diào)度線、下基本調(diào)度線和預(yù)想出力線,這3條調(diào)度線把調(diào)度圖劃分為保證出力區(qū)、加大出力區(qū)、降低出力區(qū)和預(yù)想出力區(qū)。常規(guī)調(diào)度的具體方法就是根據(jù)水庫時(shí)段初水位,判斷水庫所處于調(diào)度圖的調(diào)度區(qū),得到對(duì)應(yīng)出力,求出下泄流量和時(shí)段末水位；判斷流量和水位是否滿足約束條件,如果不滿足,則逐步調(diào)整出力。

三峽水庫運(yùn)行自身的各個(gè)因素都在發(fā)生變化,例如裝機(jī)臺(tái)數(shù)的增加,上游水庫的興建和運(yùn)行等等。因此,根據(jù)實(shí)際情況會(huì)修訂和調(diào)整三峽水庫調(diào)度圖。圖1所示為近年三峽水庫運(yùn)行的調(diào)度圖[4]。

圖1 三峽水庫調(diào)度圖

針對(duì)問題二,研究表明采用迭代差值的方法可以解決這個(gè)問題。首先分析水頭～預(yù)想出力～下泄流量關(guān)系曲線①,在H＝80時(shí),下泄流量Q取得最大值；在61＜H＜80時(shí),流量Q隨H遞增；在80＜H＜113時(shí),流量Q隨H遞減。其次,分析水庫的尾水位隨下泄流量變化的規(guī)律。考慮實(shí)際情況,水電站通常只會(huì)在汛期才會(huì)按照預(yù)想出力發(fā)電,在汛期三峽汛限水位為145m,因此H t＝145－Zdt－ΔH,ΔH取2m分析,則可以得到下泄流量與水頭的關(guān)系曲線

因?yàn)榍€②和③水頭H取值范圍為70.4m至78.9m,相應(yīng)下泄流量小

2 長期發(fā)電常規(guī)調(diào)度模型的分析與優(yōu)化

三峽、葛洲壩電站運(yùn)行多年,具有十分完整的水庫信息、水文數(shù)據(jù)和電站運(yùn)行數(shù)據(jù),為物理關(guān)系模型和邏輯關(guān)系模型的計(jì)算機(jī)建模和仿真提供了充分的可行性。以三峽梯級(jí)為研究對(duì)象,分析常規(guī)調(diào)度模型的不足與改進(jìn)。

2.1 傳統(tǒng)常規(guī)調(diào)度模型存在的不足 問題一,預(yù)想出力與調(diào)度圖加大出力區(qū)間的出力的變幅過大,導(dǎo)致出力容易產(chǎn)生波動(dòng),影響整體發(fā)電效益。三峽電站的預(yù)想出力與水頭有關(guān),不同的水頭預(yù)想出力不同,預(yù)想出力大致的變動(dòng)范圍為12000MW至18660MW,而加大出力區(qū)最大確定性出力為8000MW。因此,當(dāng)水庫水位處于8000MW出力區(qū)時(shí),電站按8000MW發(fā)電,若入庫流量略大于下泄流量,水庫水位上升至預(yù)想出力區(qū)；此時(shí),電站按照預(yù)想出力發(fā)電,若按預(yù)想出力的中間值15000MW考慮,則兩個(gè)時(shí)段的出力變幅為7000MW,并且下泄流量與入庫流量的差值會(huì)很大,導(dǎo)致時(shí)段末水位跌落到6000MW出力區(qū)或者5500MW出力區(qū),甚至保證出力區(qū)。在入庫流量變化不大的情況下,第三個(gè)時(shí)段的電站的出力又會(huì)迅速增加,達(dá)到8000MW或者預(yù)想出力。這樣,水電站的出力和水位就會(huì)產(chǎn)生振蕩,降低了發(fā)電的穩(wěn)定性和水能的利用律。

問題二,預(yù)想出力的計(jì)算不夠準(zhǔn)確。預(yù)想出力是指機(jī)組按照裝機(jī)容量發(fā)電。根據(jù)機(jī)組效率試驗(yàn)得到不同水頭條件下,機(jī)組的預(yù)想出力大小。因此,想要得到電站的預(yù)想出力,就需要知道電站的運(yùn)行水頭。水頭、水位、流量之間滿足下列關(guān)系式,(N a,Q a)＝f0(H t)。其中,N a為電站的預(yù)想出力,Q a為預(yù)想出力對(duì)應(yīng)的機(jī)組流量,f0代表水頭～預(yù)想出力～流量關(guān)系曲線,Ht為t時(shí)段的平均發(fā)電水頭。

水頭、壩前水位、壩后水位,及下泄流量之間存在這復(fù)雜的非線性關(guān)系。一般的處理方法是采用t時(shí)段上下游平均運(yùn)行水位,可以近似求得水頭H t,從而得到水位和下泄流量。這種處理會(huì)簡化計(jì)算,但是卻犧牲了計(jì)算精度。

2.2 常規(guī)調(diào)度模型的改進(jìn) 針對(duì)問題一,在調(diào)度模型中加入約束條件：水位達(dá)到預(yù)想出力線時(shí)盡量維持水位在預(yù)想出力線以上,當(dāng)出力小于8000WM,或者違反流量約束時(shí),降至預(yù)想出力線下。

問題一的矛盾是預(yù)想出力比8000WM要大很多,導(dǎo)致水位跌落過大,按調(diào)度圖規(guī)劃,下一時(shí)段出力較小,引起水位的快速上漲,這樣造成水位和出力的振蕩。為了減小振蕩,需要在一定情況下減少預(yù)想出力區(qū)的出力,而不能完全按照預(yù)想出力發(fā)電。

于是,本文提出一種改進(jìn)規(guī)則,即增加一項(xiàng)約束條件：水位達(dá)到預(yù)想出力線時(shí),盡量維持水位在預(yù)想出力線以上運(yùn)行,即當(dāng)水電站按預(yù)想出力發(fā)電后,若水位跌落至預(yù)想出力線以下,則限定時(shí)段末水位為預(yù)想出力線,按定水位調(diào)度模式計(jì)算出力和下泄流量；當(dāng)出力小于8000WM,或者下泄流量違反流量約束時(shí),水位降至預(yù)想出力線以下。

問題二的矛盾是由于出力、下泄流量和尾水位之間復(fù)雜的非線性耦合關(guān)系,導(dǎo)致計(jì)算邏輯的復(fù)雜性增加。只要知道N a、Q和H中的一個(gè),其余的都可以得出。于Qmax,可以得出曲線①與曲線②和③的交點(diǎn)一定在曲線①最大值的左邊,即曲線①斜率大于0的部分,所以可以采用迭代試算的方法求取滿足計(jì)算精度的Q。

圖2 三峽電站水頭計(jì)算圖示

3 調(diào)度結(jié)果分析

根據(jù)三峽水庫來水徑流資料,以不同頻率來水為入庫流量,分別運(yùn)用傳統(tǒng)常規(guī)調(diào)度模型和改進(jìn)常規(guī)調(diào)度模型,對(duì)比分析三峽電站的出力和水位變化過程。

一般來水條件下,用50%頻率來水計(jì)算,計(jì)算結(jié)果如下圖。

圖3 傳統(tǒng)模型－三峽出力和水位變化曲線（50%頻率來水）

圖4 改進(jìn)模型－三峽出力和水位變化曲線（50%頻率來水）

此外還分析了20%和80%頻率來水情況,計(jì)算結(jié)果得出傳統(tǒng)的調(diào)度模型與改進(jìn)的調(diào)度模型的差別主要在于蓄水階段與水位消落期,整理數(shù)據(jù)如表1。

表1 傳統(tǒng)模型與改進(jìn)模型調(diào)度出力對(duì)比（單位：萬千瓦）

由上圖和表得,改進(jìn)后的常規(guī)調(diào)度模型明顯出力更加平穩(wěn),波動(dòng)減小,年總發(fā)電量更大。且枯水年時(shí),有較大的年發(fā)電量的增幅。

表2 傳統(tǒng)模型與改進(jìn)模型調(diào)度發(fā)電量對(duì)比（單位：億千瓦時(shí)）

4 結(jié)語

本文研究分析了傳統(tǒng)長期發(fā)電常規(guī)調(diào)度模型,以三峽梯級(jí)為實(shí)例,提出了傳統(tǒng)模型存在的不足,其一是在水庫蓄水期和消落期,水電站出力容易產(chǎn)生振蕩,影響了長期發(fā)電效率；其二是在確定預(yù)想出力時(shí),水頭的計(jì)算采用了一定程度的近似方法,從而得出的預(yù)想出力不準(zhǔn)確。針對(duì)問題一,在傳統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上,增加了新的出力約束條件,一定程度上限制了預(yù)想出力,使得時(shí)段序列出力更加平穩(wěn)；針對(duì)問題二,本文推導(dǎo)論證了準(zhǔn)確求解預(yù)想出力的可行性,并闡明了采用迭代試算法求解的具體方法。從模型運(yùn)算的結(jié)果看,改進(jìn)后的調(diào)度模型出力振蕩情況明顯減弱,整體的發(fā)電量也得到提高。